計算機組成原理課件

計算機組成原理教師：馮建文課時：66＝4×16.5老師郵箱：

有問題，歡迎通過E_mail答疑。1課程目的：掌握計算機的工作原理,深刻理解程序在計算機硬件上被執(zhí)行的過程。課程任務：掌握計算機硬件系統(tǒng)各組成部件的工作原理、邏輯實現(xiàn)、設計思想。理解各部件聯(lián)結成整機并協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的方法。了解當代計算機系統(tǒng)的新技術和新成果。2最后的成績：到課情況作業(yè)情況期末考試31.1計算機分類一、按使用范圍分類二、按照規(guī)模和處理能力分類三、按系統(tǒng)結構分類無論按哪一種方法分類，各類計算機之間的主要區(qū)別是運算速度、存儲容量及機器體積等。5一、按使用范圍分類1、通用計算機通用計算機是指為解決各種問題，具有較強的通用性而設計的計算機。該機適用于一般的科學計算、學術研究、工程設計和數(shù)據(jù)處理等廣泛用途，這類機器本身有較大的適用面。2、專用計算機專用計算機是指為適應某種特殊應用而設計的計算機，具有運行效率高、速度快、精度高等特點。一般用在過程控制中，如智能儀表、飛機的自動控制、導彈的導航系統(tǒng)等。6二、按照規(guī)模和處理能力分類1、巨型計算機運算速度快、存儲容量大，價格相當昂貴，主要用于復雜、尖端的科學研究領域，特別是軍事科學計算。2、大/中型計算機通用性能好、外部設備負載能力強、處理速度快。它有完善的指令系統(tǒng)，豐富的外部設備和功能齊全的軟件系統(tǒng)，并允許多個用戶同時使用。主要用于科學計算、數(shù)據(jù)處理或做網(wǎng)絡服務器。3、小型計算機具有規(guī)模較小、結構簡單、成本較低、操作簡單、易于維護、與外部設備連接容易等特點。目前的小型機，如IBMAS/400，其性能已大大提高，主要用于事務處理。7二、按照規(guī)模和處理能力分類5、工作站工作站是指為了某種特殊用途而將高性能的計算機系統(tǒng)、輸入/輸出設備與專用軟件結合在一起的系統(tǒng)。6、服務器服務器是在網(wǎng)絡環(huán)境下為多用戶提供服務的共享設備，一般分為文件服務器、打印服務器、計算服務器和通信服務器等。目前，微型計算機與工作站、小型計算機乃至中、大型機之間的界限已經(jīng)愈來愈模糊。9計算機分類電子計算機模擬計算機數(shù)字計算機按信息的表示方式分專用計算機通用計算機巨型機大型機中型機小型機微型機工作站服務器按應用范圍分按規(guī)模和處理能力分10三、按系統(tǒng)結構分類即MichaelFlynn分類法：計算機在執(zhí)行程序過程中，有2種信息在流動。一種是計算機指令，它從存儲器流入控制器，并變成整個計算機系統(tǒng)的控制信號。另一種是數(shù)據(jù)，從輸入設備流入存儲器，再流入執(zhí)行部件如運算器，運算結果流入存儲器或輸出設備。Flynn稱前一種信息為“指令流”，后一種信息為“數(shù)據(jù)流”。因此根據(jù)指令流與數(shù)據(jù)流的不同組合，計算機系統(tǒng)結構分為以下4類。111.2計算機的系統(tǒng)組成一、計算機系統(tǒng)組成二、計算機硬件系統(tǒng)三、計算機軟件系統(tǒng)13一、計算機系統(tǒng)組成一個完整的計算機系統(tǒng)，包括兩大部分，即硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)是指構成計算機的物理設備，即由機械、光、電、磁等器件構成的具有計算、控制、存儲、輸入和輸出功能的實體部件。如CPU、存儲器、軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、主機板、各種卡及整機中的主機、顯示器、打印機、繪圖儀、調(diào)制解調(diào)器等等，整機硬件也稱“硬設備”。軟件系統(tǒng)則是指管理計算機軟件和硬件資源、控制計算機運行的程序、命令、指令、數(shù)據(jù)等，軟件系統(tǒng)就是程序系統(tǒng)，也稱為“軟設備”。14一、計算機系統(tǒng)組成計算機是依靠硬件和軟件的協(xié)同工作來執(zhí)行一個具體任務。硬件是計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎，而軟件又是硬件功能的擴充和完善。任何軟件都是建立在硬件基礎上的，任何軟件也離不開硬件的支持。如果沒有軟件的支持，硬件的功能就不能得到充分的發(fā)揮。15一、計算機系統(tǒng)組成馮·諾依曼（VonNeumann）體系結構1946年由美籍匈牙利數(shù)學家馮·諾伊曼提出計算機的體系結構發(fā)生了許多變化，但VonNeumann提出的二進制、程序存儲和程序控制，依然是普遍遵循的原則。17馮·諾依曼體系結構特點1、采用二進制表示數(shù)據(jù)和指令；2、采用存儲程序即把編好的程序和原始數(shù)據(jù)預先存入計算機主存中，使計算機工作時能連續(xù)、自動、高速地從存儲器中取出一條條指令并執(zhí)行，從而自動完成預定的任務；3、計算機硬件系統(tǒng)由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大部件組成。18二、計算機硬件系統(tǒng)典型的馮.諾依曼計算機結構框圖（以運算器為中心）輸入設備輸出設備存儲器控制器運算器程序數(shù)據(jù)結果數(shù)據(jù)結果地址指令控制信號數(shù)據(jù)線地址線控制線19總線結構的馮.諾依曼計算機結構框圖系統(tǒng)總線：包括地址總線（AB）、數(shù)據(jù)總線（DB）、控制總線（CB）21二、計算機硬件系統(tǒng)（五大部件）1、存儲器功能：存放指令和數(shù)據(jù)。操作：存儲器讀操作：從存儲器取出數(shù)據(jù)，又稱為讀出。存儲器寫操作：向存儲器存放數(shù)據(jù)，又稱為寫入；概念：存儲單元：存儲二進制信息的部件，每個單元可以存放一個字或字節(jié)的信息，存儲器就是存儲單元的集合。單元地址：存儲單元的編號，是區(qū)分存儲器中不同存儲單元的唯一標志。22二、計算機硬件系統(tǒng)（五大部件）2、運算器功能：在控制器控制下，進行算術運算和邏輯運算。運算器的技術性能高低直接影響著計算機的運算速度和整機性能。3、控制器功能：對當前指令進行譯碼分析其所需要完成的操作，產(chǎn)生并發(fā)送各部件所需要的控制信號，從而使整個計算機自動、協(xié)調(diào)地工作。控制器是計算機的控制指揮部件，也是整個計算機的控制中心。23三、計算機軟件系統(tǒng)1．系統(tǒng)軟件2、應用軟件：又稱為應用程序，它是用戶在各自不同的應用領域根據(jù)具體的任務需要所開發(fā)編制的各種程序。如工程設計程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動控制程序、企業(yè)管理程序、科學計算程序等等。251．系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指管理、調(diào)度、監(jiān)視和維護計算機系統(tǒng)軟硬件資源的程序集合，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度，確保高效率運行。常用的系統(tǒng)軟件有：（1）操作系統(tǒng)（2）語言處理程序（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（4）服務性程序（5）網(wǎng)絡管理軟件26計算機語言程序是計算機語言的具體體現(xiàn)，是用某種計算機程序設計語言按問題的要求編寫而成的。程序就是指令的有序集合。1、機器語言：由0和1按一定規(guī)則排列組成的一個指令集；它是計算機唯一能識別和執(zhí)行的語言。優(yōu)點是執(zhí)行效率高、速度快。主要缺點是直觀性差，可讀性不強2、匯編語言：用助記符來表示機器指令中的操作碼和操作數(shù)的指令系統(tǒng)?？勺x性增強，執(zhí)行速度快，但仍是一種面向機器的語言，編制程序的效率不高，難度較大，維護較困難，屬低級語言。3、高級語言：一種更接近于人類自然語言和數(shù)學語言的語言，用高級語言編寫程序可以大大減少編程人員的勞動，因此它也具有較好的可移植性。29源程序機器語言程序運行結果編譯、匯編、連接解釋計算機運行程序的過程301.3計算機系統(tǒng)層次結構應用程序語言處理程序及其它系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)級機器指令系統(tǒng)微程序設計級（硬件）31使用計算機解題的過程1、提出問題和任務；2、建立模型，用適合于程序設計的方式描述算法過程；3、用某種語言編制程序；4、編譯為機器語言程序；5、在硬件上執(zhí)行程序，實現(xiàn)任務。321.4計算機主要技術指標1、機器字長CPU一次能處理的數(shù)據(jù)位數(shù)2、存儲容量存儲容量=存儲單元個數(shù)×存儲字長單位：字節(jié) 1字節(jié)（B）=8位 度量：1K=210 1M=220 1G=230 3、運算速度（MIPS、CPI、FLOPS）4、可配置的外設331.5計算機的發(fā)展體積縮小，性能提高外設的發(fā)展：種類多樣化，功能增強計算機網(wǎng)絡多媒體技術多處理器系統(tǒng)人工智能家庭自動化34本章小結計算機分類：按信息流的分類方法：SISD、SIMD、MISD和MIMD結構，按使用范圍分類：通用計算機和專用計算機按規(guī)模和處理能力來分類：巨型機、大/中型機、小型機、微型機、工作站和服務器。計算機系統(tǒng)組成：由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。VonNeumann計算機體系結構的計算機硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備